1.3 Mesure de température : Pt100, thermocouple et doigt de gant

Les deux familles dominent la mesure de température industrielle. Le choix se joue sur la plage de température, l'environnement et la précision recherchée.

Le thermistor, troisième famille résistive, change de résistance de façon très sensible mais non linéaire. Il sert plutôt aux applications où la haute précision n'est pas déterminante, comme beaucoup d'appareils du quotidien.

En règle générale, on choisit le RTD quand la précision et la stabilité priment sur une plage modérée, et le thermocouple pour les hautes températures ou les milieux sévères. Le transmetteur de température sait recevoir l'un ou l'autre, à condition d'être configuré pour le bon type de capteur.

Une sonde à résistance (resistance temperature detector, RTD) est un fil fin de métal pur, le plus souvent du platine, dont la résistance augmente avec la température. La sonde « Pt100 » vaut 100 Ω à 0 °C. Des modèles 1 000 Ω (Pt1000) existent, et plus rarement des valeurs plus basses.

La relation entre résistance et température est presque linéaire, mais pas exactement. On utilise donc, pour des mesures précises, les tables de correspondance du constructeur ou les formules d'approximation de la norme, plutôt qu'une simple droite. La norme qui définit les sondes en platine est la CEI 60751 (payante, citée ici pour son objet seulement). Le coefficient de température du platine varie selon l'alliage : deux familles industrielles existent, dites européenne et américaine. La sonde et l'entrée du transmetteur doivent correspondre à la même famille, sans quoi la lecture est faussée.

Deux précautions concernent la sonde elle-même. D'abord l'auto-échauffement : le courant d'excitation chauffe légèrement le fil, ce qui fausse la mesure si ce courant est trop élevé pour la sonde et le milieu. Ensuite la résistance du câblage : une sonde de 100 Ω est une résistance faible, donc très sensible à celle des fils, comme on le voit ci-dessous.

Raccordée en 2 fils, une sonde Pt100 mesure sa résistance plus celle des deux fils. Exemple : avec 2 Ω de fils au total, le transmetteur voit 102 Ω au lieu de 100 Ω, soit 1,96 % de résistance en trop. Comme la résistance d'un RTD augmente avec la température, l'indication est trop élevée. Un thermistor de 50 kΩ avec les mêmes fils ne subirait que 0,004 % d'erreur : sa forte résistance « noie » celle des fils.

• Montage 4 fils. Deux fils amènent le courant d'excitation à la sonde, deux autres mesurent la tension à ses bornes. La chute de tension dans les fils d'excitation n'est pas vue par la mesure : l'erreur de câblage disparaît.
• Montage 3 fils. Compromis très répandu qui limite le nombre de conducteurs. Il compense l'erreur à condition que les deux fils qui portent le courant aient exactement la même résistance. Sa limite fondamentale est là : la compensation vaut ce que vaut l'égalité des fils.

Quand on soude deux fils de métaux différents, l'extrémité opposée délivre une tension approximativement proportionnelle à la température de la jonction. C'est le principe du thermocouple. Il fabrique sa tension lui-même, ce qui présente deux avantages : pas d'alimentation à lui fournir et pas d'auto-échauffement. Les puissances en jeu étant faibles, il est aussi potentiellement plus sûr que le RTD dans une atmosphère explosive (le chapitre 4.3 y revient).

Il y a toutefois un piège de principe. Dès qu'on raccorde un instrument aux deux fils, on crée une seconde jonction de métaux différents, de polarité opposée. Le voltmètre ne lit donc pas la température de la jonction de mesure, mais la différence entre la jonction de mesure et la jonction de référence. Un thermocouple est fondamentalement un capteur de température différentielle.

Les thermocouples sont classés par type, désigné par une lettre, selon les métaux utilisés. Les types E, J, K, N et T utilisent des métaux communs ou des alliages de nickel, cuivre ou fer ; les types S et B emploient du platine et un alliage platine-rhodium pour les températures les plus élevées. Chaque type a son atmosphère de prédilection : le fer du type J se corrode rapidement en atmosphère oxydante, le type K est attaqué par les atmosphères réductrices, le soufre et les cyanures.

Les couleurs des câbles dépendent du pays : un type donné ne porte pas les mêmes couleurs en Amérique du Nord et en France, qui possède son propre code. Avant de raccorder, il faut se référer au code du pays et au type indiqué sur le capteur, pas aux couleurs « habituelles » d'une autre installation.

Pour que l'instrument affiche la température de la jonction de mesure, il doit compenser la jonction de référence : soit par un circuit qui ajoute une tension de compensation, soit par un calcul logiciel. Cette compensation suppose que l'instrument connaisse la température de sa jonction de référence, située à ses bornes, où il la mesure avec un petit capteur interne.

C'est ici que se produit l'erreur de câblage la plus fréquente. Si l'on relie un thermocouple de type K à l'armoire avec du simple câble de cuivre, la jonction de référence se déplace à la tête du thermocouple, à une température différente de celle de l'armoire : le transmetteur compense la mauvaise température. La règle est de garder la jonction de référence à l'entrée de l'instrument en reliant les deux par un câble de thermocouple du même type ou par un câble de compensation approprié.

Le thermocouple tombe le plus souvent en panne en circuit ouvert (« burnout »). Un voltmètre à haute impédance dont l'entrée est ouverte capte les parasites des câbles d'énergie ou des variateurs et affiche des valeurs fantaisistes. On prévoit donc, au niveau du transmetteur, un mode de rupture : en cas de couple ouvert, l'instrument affiche une température haute ou basse, selon la direction jugée la plus sûre pour l'application.

Le doigt de gant (thermowell) est un fourreau étanche à la pression qui plonge dans le procédé. Il permet de remplacer la sonde sans ouvrir la tuyauterie ni dépressuriser. Il est en métal ou en céramique, thermiquement conducteur et chimiquement compatible avec le procédé.

Il a un coût : sa masse ajoute un retard de premier ordre à la réponse du capteur, car sa masse de métal, bien supérieure à celle de l'élément sensible seul, se réchauffe et se refroidit plus lentement. Si le retard est important, il peut compromettre la stabilité d'une régulation, qui reçoit une température « en retard » (chapitre 3.3).

Trois bonnes pratiques :

• insérer l'élément jusqu'au contact au fond du trou borgne : une lame d'air ajoute un second retard ;
• préférer l'implantation dans une tuyauterie plutôt que dans une cuve : la turbulence de l'écoulement améliore l'échange thermique et nettoie le doigt de gant des dépôts ;
• vérifier l'immersion suffisante et la compatibilité de matériau avec le fluide.